破碎礦體下崩落法采場眉線破壞原因分析及保護措施*

馬國虎,李明潤,賈凱躍,梁博,魯旭,譚寶會

(1.金川集團有限公司龍首礦,甘肅 金昌市 737100;2.西南科技大學 環境與資源學院,四川 綿陽市 621010)

0 引言

無底柱分段崩落法因其機械化程度高、采礦成本低、采礦效率高以及安全性好等諸多優點被廣泛地應用于國內外地下金屬礦山開采[1-2]。一般來說,無底柱分段崩落法主要應用于礦巖穩固的急傾斜厚大礦體的開采[3-4],近年來隨著礦產資源需求量的增加以及采礦技術的發展,無底柱分段崩落法也逐漸應用于破碎難采礦體的開采[5-6]。但該方法應用于破碎礦體開采時會出現諸多生產問題,例如回采進路的穩定性問題、切割拉槽問題以及眉線破壞問題等[7-9],尤其是眉線嚴重破壞后,會給后排炮孔的正常裝藥、礦石回采指標以及采場生產安全性造成嚴重的影響[10-12]。

為解決破碎礦體條件下的眉線破壞問題,礦山工程領域的專家學者及技術人員開展了大量的研究。魏大恩[13]通過分析蘭尖鐵礦眉線破壞原因,提出了優化堵塞長度、調整炮孔數目及排距等方法來保護眉線。涂旭東等[14]針對四方金礦回采巷道眉線破壞問題,通過優化爆破參數及網絡、加強巷道掘進以及中深孔施工管理等措施,使眉線破壞率降低了46.6%。周宗紅等[15]針對長安金礦眉線破壞嚴重的問題,通過采用孔口交錯裝藥,嚴格控制了孔口部分的裝藥量,成功地保護了眉線。劉全陽[16]通過分析北洺河鐵礦眉線破壞的原因,得到圍巖穩固性差、節理裂隙發育、孔口正向起爆以及支護不到位等是眉線破壞的重要原因,并提出了采用孔底起爆、排內微差起爆以及加強支護作業等一系列措施,有效地保護了眉線。

本文以龍首礦西二采區無底柱分段崩落法開采為工程背景,針對采場回采過程中出現的眉線破壞嚴重的問題,通過分析其破壞原因,最終從破碎礦體物理加固以及爆破損傷控制兩方面出發,提出了相應的眉線保護措施,并在現場進行了工業試驗,改善了礦山眉線破壞情況。

1 工程背景

龍首礦西二采區礦石資源平均品位較低,屬于金川礦區的貧礦資源,同時圍巖的普氏系數僅為0.8～4.5,礦石的普氏系數僅為2.4～7,且礦區內的節理裂隙發育,因此整個礦區的礦體及圍巖整體上比較破碎。

西二采區于2010年投產,采用下向分層六角形進路機械化膠結充填法進行回采,采區布置有1554 m、1430 m 兩個回采中段,實行雙中段同時回采,截至2016年3 月,1554 m 中段已回采至1610 m 分段,1430 m 中段已回采至1494 m 分段16分層。由于2016年鎳礦價格大幅下跌,加之西二采區礦石品位較低,采用高成本的膠結充填法采礦導致礦山企業瀕臨虧損。為扭轉局勢,礦山將上部1554 m 中段轉為無底柱分段崩落法回采,共設1595 m、1580 m、1565 m 和1546 m 4個回采分段,進路間距為15 m,崩礦步距為2.2 m。在崩落法回采過程中,回采進路眉線發生了嚴重的破壞,導致爆堆將后排炮孔掩埋,造成后排炮孔裝藥困難。圖1展示了1580 m 分段4#進路第32排炮孔爆破后,爆堆將第33排炮孔完全掩埋。此外,眉線破壞也導致礦石的回采指標劣化,經統計,當采場眉線發生嚴重破壞時,進路礦石平均回采率僅為60%,明顯低于預設80%的回采率指標。

圖1 1580 m 分段4#進路第32排炮孔爆破后的爆堆狀態

因此,有必要對西二采區眉線破壞問題進行深入分析,探明眉線破壞的原因并提出相應的保護措施,解決西二采區眉線破壞問題,確保采場生產的正常進行,并為類似礦山解決眉線破壞問題提供技術參考。

2 眉線破壞原因分析

2.1 礦巖體較為破碎

西二采區礦體普氏系數僅為2.4～7,且礦體內存在大量的斷層構造以及節理裂隙。礦體頂底板與邊緣破碎帶接觸,在空間分布上很不穩定,多組節理交叉,礦巖整體上比較破碎,如圖2所示。

圖2 西二采區崩落法采場揭露的破碎礦巖

由于西二采區礦巖體比較破碎,因此在爆炸作用下,礦巖體中形成的爆炸損傷范圍以及破壞范圍也會比較大。同時,西二采區采用的是扇形中深孔爆破,扇形炮孔在孔口處比較密集,容易導致孔口附近的炸藥能量比較集中,造成孔口處的礦石發生大范圍的破壞,進而影響到眉線的完整性。特別是當孔口附近存在較長的貫通節理裂隙時,在爆破后沖作用下,孔口附近的礦石極易沿著節理裂隙面被撕裂下來,進而導致眉線發生嚴重的破壞。

2.2 扇形孔裝藥結構參數不合理

根據西二采區現場實際情況,采場前期生產中扇形炮孔主要采用了兩種裝藥參數,如圖3所示,圖中孔口附近的數字代表孔口不裝藥長度。對于孔口不裝藥長度為2 m、3 m 交錯布置的裝藥參數來說,由于西二采區采用的是扇形中深孔爆破,孔口處的炮孔最為密集,孔口距最小,僅有0.275 m,因此在這種裝藥參數下,孔口處的炸藥能量比較集中,造成孔口礦石發生損傷或者破壞的范圍也就更大,進而對眉線的完整性影響也就更大。而對于中間七個炮孔孔口不裝藥長度為6 m、8 m 交錯布置的裝藥參數來說,由于孔口大面積的不裝藥,炸藥能量嚴重不足,爆炸產生的應力波并不能直接地引起礦石發生破壞,而是當應力波傳播至進路自由面發生反射時,進路頂板處的礦石受到反射應力波的作用而發生拉伸破壞。由于采區內的節理裂隙發育,孔口處的礦石容易在反射拉伸應力波的作用下沿著節理裂隙面發生破壞,導致眉線的完整性受到嚴重的破壞。

圖3 西二采區前期所采用的兩種裝藥參數(單位:m)

2.3 炸藥單耗過大

西二采區崩落法采場目前所采用的炮孔數目為11個,根據現場的實際裝藥量統計結果,單排炮孔總裝藥量為450～500 kg,炸藥單耗達到了0.38～0.40 kg/t,而類似破碎礦巖礦山如北洺河鐵礦單耗為0.28 kg/t,西石門鐵礦單耗為0.32 kg/t。對比類似礦山扇形中深孔炸藥單耗可知,西二采區目前采用的11孔爆破方案,其炸藥單耗明顯偏大,過量炸藥不僅使原本就比較破碎的礦體被過度破碎,產生大量粉礦,而且強大的爆破后沖作用也使眉線嚴重破壞,如圖4所示。

圖4 炸藥單耗過大爆破后形成的大量粉礦

綜合以上分析可知,西二采區眉線破壞嚴重的原因如下:一是礦巖本身比較破碎,二是裝藥結構參數不合理,三是炸藥單耗過高。由此分析可知,在破碎礦巖條件下,通過減少炮孔數目來減少單排裝藥量應該會減輕眉線破壞情況。然而,在西二采區這種破碎礦巖條件下,前排中深孔爆破后,后排炮孔經常發生嚴重變形和錯孔,導致后排炮孔裝藥困難甚至無法進行裝藥,因此貿然減少炮孔數目很可能會導致無法有效地崩落礦巖。因此,本文重點從破碎礦體物理加固以及爆破損傷控制兩個方面來改善礦山的眉線破壞情況。

3 眉線保護措施

3.1 “薄鋼板+管縫式錨桿”眉線加固方案

西二采區眉線發生嚴重破壞的主要原因之一是礦巖條件比較破碎,在爆破作用下孔口處的礦石很容易發生大面積的破壞。因此,針對西二采區眉線破壞問題,研究提出采用“薄鋼板+管縫式錨桿”方案加固孔口處的破碎礦巖,從而實現眉線的加固和保護。在該方案中,將5～7根帶托盤的管縫式錨桿穿過一條寬20 cm 左右、厚0.5～1 cm 的弧形鋼板,其中管縫式錨桿長度不小于回采進路正常支護所使用的錨桿長度,鋼板長度不小于進路頂板弧長。鋼板上的錨桿孔眼均勻分布,鋼板弧度應接近于回采進路頂板弧度,使該裝置安裝在進路頂板后鋼板盡可能地與進路頂板相貼合,以獲取更佳的加固效果。

在該方案中,之所以建議采用管縫式錨桿,是因為普通砂漿錨桿在圍巖移動時容易失效,而管縫式錨桿在破碎巖體加固方面則有著更優秀的加固性能,主要體現在:管縫式錨桿安裝后便可立即在全長范圍內對孔壁施加徑向壓力和阻止圍巖下滑的摩擦力,加上錨桿托盤的承托力,從而使圍巖處于三向受力狀態。尤其是在爆破振動圍巖錨移等情況下,后期錨固力明顯增大,也就是說即便進路頂板發生了顯著位移,管縫式錨桿也不會失去其支護抗力。即便在爆破后或出礦過程中有個別錨桿失效,但由于鋼板的存在,已經將這些管縫式錨桿串聯在一起,與鋼板共同構成了一個整體的加固系統,此時依然可以借助剩余錨桿的錨固力對眉線起到加固支護作用。

現場應用時,根據礦巖破碎情況及崩礦步距大小,在前、后相鄰兩排中深孔之間的進路頂板部位,等間距安裝1～3排加固裝置。當前排中深孔爆破時,這些加固裝置便可減小爆破沖擊及振動等作用對后排孔眉線的破壞程度,同時減輕放礦過程中礦巖塊體流動對眉線的機械沖擊破壞,從而對破碎礦巖條件下分段崩落法眉線起到加固和保護的作用,該方案如圖5所示。

圖5 “薄鋼板+管縫式錨桿”眉線加固方案

3.2 “孔口緩沖爆破+淺孔導向爆破”方案

西二采區采用的扇形中深孔炮孔數目為11孔,加之扇形炮孔孔口部位本身炮孔密集系數較大,容易出現炸藥能量集中,從而造成眉線破壞。為了減小孔口處炸藥能量集中對眉線產生的破壞,研究提出“孔口緩沖爆破+淺孔導向爆破”眉線保護方案,在該方案中需要在各裝藥長度較大的炮孔孔口部位塞入一根2～3 m 的PVC塑料管實現緩沖爆破?？紤]到中深孔直徑為76 mm,建議實際采用直徑為50～60 mm 的PVC 塑料管進行套孔緩沖爆破。同時為了在爆破時使各炮孔間起到橫向切割爆破作用,減少對后排眉線的破壞,還可在原中深孔相鄰炮孔之間增加一個長度為3 m 左右的小直徑淺孔。炮孔直徑建議取40～50 mm 左右,該炮孔的作用在于加強炮排孔口位置礦體的橫向切斷作用,可起到爆破導向作用,從而減輕后沖破壞作用。在試驗過程中,可以分別對淺孔進行裝藥和不裝藥,以觀察該方案保護眉線的效果,若對其進行裝藥時,則可考慮采用微差爆破,使淺炮先于正常中深孔起爆?！翱卓诰彌_爆破+淺孔導向爆破”方案見圖6所示。

圖6 “孔口緩沖爆破+淺孔導向爆破”眉線保護方案

4 現場應用效果

為了驗證研究所提出的眉線保護方案的效果,礦山在1580 m 分段11#進路19排與20排炮孔之間進行了“薄鋼板+管縫式錨桿”眉線加固方案的現場試驗。限于現場實際條件及材料,最終采用“鐵皮板+螺紋錨桿”來代替研究方案中所提的“薄鋼板+管縫式錨桿”,該加固套備安裝于19排炮孔后方大約0.7 m 處,現場安裝情況如圖7所示。由于11#進路第17排炮孔完全破壞且無法找出,只能在第18排進行裝藥爆破,相當于裝了一排藥崩、兩排礦石,崩礦步距的加大使得爆破后沖作用更加明顯,爆破后第19排炮孔孔口部位發生破壞抬高,但炮孔能夠實現裝藥,同時第20排炮孔孔口部位完好,相較于未采用該加固方案時,加固后眉線破壞情況有所改善。

圖7 “薄鋼板+錨桿”加固眉線方案的現場應用

根據試驗結果可知,盡管本次試驗取得了一定成效,但并未達到預期的試驗效果,分析認為主要原因如下。

(1) 眉線物理加固方案中要求在前后兩排炮孔之間應有2～3排加固結構,而在現場試驗時僅布置了1排加固結構,導致加固效力不夠。

(2) 方案中要求采用的錨桿為管縫式錨桿,且每一排至少應包含5～7根錨桿進行加固,而現場試驗所采用的是非金屬砂漿錨桿,數量僅有4根,導致加固作用不夠。

(3) 方案中要求所采用的薄鋼板厚度至少為5～8 mm,而現場試驗方案中所采用的是厚度僅為2～3 mm 的鐵皮,且為分段焊接而成,強度和剛度均不足,不能將錨桿有效連接成一個整體,因此不能為破碎礦體提供足夠的加固支撐作用。

(4) 在本次試驗中僅對第18排炮孔裝藥,第17排炮孔未能裝藥,相當于將原2.2 m 崩礦步距增大為4.4 m,崩礦步距增大后使爆破后沖作用加大,對后排孔眉線產生了強烈破壞作用,削弱了眉線加固作用。

綜上所述,在后期試驗中應嚴格按照研究方案提出的技術參數要求,采取符合要求的加固材料,繼續進行“薄鋼板+管縫式錨桿”眉線加固方案的現場試驗。此外,同時開展“孔口緩沖爆破+淺孔導向爆破”眉線保護方案的現場試驗,最終根據試驗結果擇優進行推廣使用。

5 結論

(1) 西二采區無底柱分段崩落法采場發生眉線嚴重破壞的主要原因有三個,一是礦巖較為破碎,二是扇形孔裝藥結構參數不合理,三是炸藥單耗過大。

(2) 針對西二采區破碎礦巖條件下眉線破壞問題,從破碎礦體物理加固以及爆破損傷控制兩個方面,研究提出“薄鋼板+管縫式錨桿”眉線加固方案以及“孔口緩沖爆破+淺孔導向爆破”眉線保護方案。

(3) 在后期試驗中應嚴格按照研究方案提出的技術參數要求,繼續進行“薄鋼板+管縫式錨桿”眉線加固方案的現場試驗。此外,同時開展“孔口緩沖爆破+淺孔導向爆破”眉線保護方案的現場試驗,最終根據試驗結果擇優進行推廣使用。